Тепловое самовоспламенение (тепловой взрыв).

Тепловое самовоспламенение (тепловой взрыв).

Самовоспламенение – это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к самопроизвольному возникновению горения вещества в отсутствии источника зажигания.

Теория теплового самовоспламенения разработана академиком Семеновым Н.Н., который исходил из представления об ускорении реакций окисления с температурой и преобладания скорости тепловыделения над теплоотводом.

При окислительной реакции, проходящей с полной отдачей образующегося тепла, горение не возникает. Горение возникает лишь в условиях резкого самоускорения химического процесса, связанного с накоплением либо тепла в системе (так называемое тепловое самовоспламенение), либо катализирующих промежуточных продуктов реакции (цепное самовоспламенение). Суть теории заключается в следующем. Рассмотрим поведение горючей смеси, заключенной в сосуд объемом V с постоянной температурой стенок Т0. В смеси протекает химическая реакция. Температура во всех точках сосуда одинакова и равна Т.

Исходя из физикохимических свойств газов, рассмотренных нами Ранее, скорость химической реакций υр подчиняется соотношению

(6.1)

где: К – константа скорости реакций, зависящая от температуры;

с – концентрация реагирующих веществ;

n – порядок реакции;

Е – энергия активации реакции.

Скорость выделения тепла при реакции:

, (6.2)

где: Q – тепловой эффект реакции;

V – объем сосуда;

τ – время.

Видно, что с повышением температуры скорость выделения тепла растет по экспоненте.

Выделившееся тепло расходуется на нагрев смеси и потери в окружающую среду за счет теплопроводности и излучения.

Количество тепла, отводимое от поверхности сосуда в единицу времени выражается линейною зависимостью:

(6.3)

где: α – коэффициент теплоотдачи;

S – площадь поверхности стенок сосуда.

Тогда изменение подвода и отвода тепла в зависимости от температуры можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 22):

Рис. 22. Соотношение тепловыделения и теплоотвода при тепловом взрыве.

q1, тогда как прямая теплоотвода q2''' пере местится вправо параллельно самой себе. При температуре То" сосуда теплоприход больше теплоотвода при любой температуре газа, и тем­пература газа, а с нею и скорость реакции, будут прогрессивно расти.

Температура сосуда, для которой прямая теплоотвода q2” касательна к кривой тепловыделения, является предельной для перехода от режима мед­ленной реакции к взрыву. При Tо>Tк скорость реакции и температура газа неограниченно увеличиваются и происходит тепловой взрыв. При Tо< Tк ус­танавливается стационарный режим, при котором скорость реакции мала.

Время, в течение которого в реагирующей системе достигается разогрев от Ткр до Тсв, называется периодом индукции самовоспламенения.

Теория теплового самовоспламенения хорошо объясняет зависимость между давлением и температурой самовоспламенения горючей смеси. Допустим, что сосуд, в который вводится смесь, имеет постоян­ную температуру То. При малых давлениях количество выделяю­щегося тепла не превышает количества отводимого тепла, и реакция протекает при посто­янной температуре, близкой к температуре сосуда.

При увеличении давления и соответственно, массы вещества выделяется больше тепла, чем отводится, температура газов повышается и происходит их самовоспламенение. Наглядно зависимость теплоприхода и теплоотвода (где τ – время), от температуры при различных давлениях показана на ри сунке 23:

Рис. 23. Соотношение теплопри хода и теплоотвода при различном давлении газовой смеси: q1' < q1" < q1'''

Тут показывают тепловыделение при давлениях соответственно Р1<Р2<Р3 при одинаковом составе смеси. Количество отводимого от зоны горения тепла характеризуется прямой q 2. Критические условия самовоспламенения реализуются при давлении Р2 (кривая ).

Условия самовоспламенения предельного состава горючей смеси показана на кривых и . В общем, условие теплового самовоспламенения сводится к тому, что начальный саморазогрев горючей смеси в результате реакции окисления должен превысить некоторое критическое значение , называемое характеристическим интервалом температуры. Вывод этого показателя изложен в § 9.3.

Дата добавления: 2015-08-28